Когда ячейки памяти упаковывают всё плотнее, ток начинает течь через соседние невыбранные ячейки по обходным маршрутам. Исследователи из Университета Южной Калифорнии создали селектор из пяти вертикально расположенных слоёв ван-дер-ваальсовых материалов, который подавляет эти утечки. Устройство выдерживает более 1012 циклов, переключается менее чем за 20 наносекунд и обеспечивает нелинейность до 107 — ток в рабочем режиме отличается от тока утечки более чем на семь порядков.

К проекту присоединились Университет Флориды, исследовательские подразделения ВВС и Армии США, японский Национальный институт материаловедения. Результаты опубликованы в Nature Electronics 7 сентября.

Кроссбар-память состоит из пересекающихся проводников с элементами хранения данных в местах пересечения. Архитектура позволяет размещать ячейки очень плотно и складывать несколько массивов один над другим. При чтении или записи данных ток проходит не только через нужную ячейку, но и через невыбранные соседние элементы. Паразитные пути увеличивают энергопотребление и искажают определение состояния нужной ячейки.

Рядом с элементом памяти устанавливают селектор, который должен почти полностью блокировать ток при низком напряжении и резко открывать проводящий канал при рабочем уровне. Для крупных массивов этого контраста недостаточно: селектор одновременно должен выдерживать огромное число операций, быстро срабатывать, сохранять характеристики при изменении температуры и иметь минимальный разброс от образца к образцу.

Авторы собрали структуру из слоёв графена, дисульфида молибдена, туннельного барьера, снова дисульфида молибдена и второго графенового электрода. Материалы образуют градуированный энергетический барьер. При низком напряжении электронам трудно пройти сквозь структуру. При повышении напряжения вероятность квантового туннелирования резко возрастает. За счёт такой зависимости селектор пропускает большой рабочий ток и одновременно удерживает утечку на низком уровне.

Перед изготовлением устройств исследователи построили теоретическую модель и рассчитали два варианта центрального барьера. В первом варианте использовали гексагональный нитрид бора. Нелинейность селектора превысила 107. Устройство выдержало свыше 1012 циклов, переключалось менее чем за 20 наносекунд и показало слабую зависимость от температуры с небольшим разбросом между образцами.

Во втором варианте центральным материалом стал сульфид галлия. Нелинейность превысила 106, а рабочее напряжение снизилось до 2,5 В. Более низкое напряжение упрощает интеграцию селектора с окружающей электроникой и снижает требования к цепям управления.

Ван-дер-ваальсовы материалы имеют практическое преимущество: атомарно тонкие кристаллы можно складывать без жёсткого требования к совпадению кристаллических решёток соседних материалов. Границы между слоями получаются резкими и контролируемыми, что критично для туннельного барьера, где даже небольшое изменение структуры заметно влияет на ток.

Команда объединила селекторы с резистивными элементами памяти по схеме «один селектор — один резистор», включая мемристор на основе оксида гафния, а также собрала ячейки «один селектор — один конденсатор». Эксперименты продемонстрировали совместимость с энергонезависимой и энергозависимой памятью.

Главное достижение — сочетание высокой нелинейности, ресурса свыше триллиона циклов, наносекундного быстродействия, температурной стабильности и малого разброса характеристик в одном двухконтактном элементе.

Исследование демонстрирует работу отдельных селекторов и интегрированных ячеек. До промышленного применения потребуется перенести принцип на крупные массивы и технологические процессы массового производства. Пятислойная структура решает фундаментальную задачу, без которой дальнейшее уплотнение кроссбар-памяти и полноценное трёхмерное размещение ячеек остаются затруднительными.